Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Атомном масштабе муаровый узор создается путем наложения двух перекошенных листов графена , в гексагональную решетку , состоящую из углеродных атомов.

Твистроника (от твиста и электроники ) - это исследование того, как угол (скручивание) между слоями двумерных материалов может изменять их электрические свойства. [1] [2] Было показано, что такие материалы, как двухслойный графен , имеют совершенно разное электронное поведение, от непроводящего до сверхпроводящего , которое сильно зависит от угла между слоями. [3] [4] Термин был впервые введен исследовательской группой Эфтимиоса Каксираса в Гарвардском университете при теоретическом рассмотрении сверхрешеток графена. [1] [5]

История [ править ]

В 2007 году физик из Национального университета Сингапура Антонио Кастро Нето выдвинул гипотезу о том, что сжатие двух смещенных графеновых листов вместе может дать новые электрические свойства, и отдельно предположил, что графен может открыть путь к сверхпроводимости, но он не объединил эти две идеи. [4] В 2010 году исследователи из Технического университета имени Федерико Санта-Мария в Чили обнаружили, что при определенном угле, близком к 1 градусу, полоса электронной структуры скрученного двухслойного графена становится полностью плоской [6], и из-за этого теоретического свойства они предположили такое коллективное поведение возможно. В 2011 году Аллан Макдональд и Рафи БистрицерИспользуя простую теоретическую модель, обнаружил, что для ранее найденного «магического угла» количество энергии, которое потребуется свободному электрону для туннелирования между двумя листами графена, радикально меняется. [7] В 2017 году исследовательская группа Эфтимиоса Каксираса из Гарвардского университета использовала подробные квантово-механические расчеты, чтобы уменьшить неопределенность в угле закручивания между двумя слоями графена, который может вызывать необычное поведение электронов в этой двумерной системе. [1] В 2018 году Пабло Харилло-Эрреро , экспериментатор из Массачусетского технологического института , обнаружил, что магический угол привел к необычным электрическим свойствам, предсказанным учеными UT Остина. [8]При вращении на 1,1 градуса при достаточно низких температурах электроны переходят из одного слоя в другой, создавая решетку и явление сверхпроводимости. [9]

Публикация этих открытий привела к появлению множества теоретических работ, направленных на понимание и объяснение этого явления [10], а также к многочисленным экспериментам [3] с использованием различного количества слоев, углов закручивания и других материалов. [4] [11]

Характеристики [ править ]

Анимация твистроника. Здесь у нас есть 2 наложенных листа, один из которых поворачивается в общей сложности на 90 градусов. Мы видим, что с изменением угла поворота меняется и периодичность.

Сверхпроводимость и изоляция [ править ]

Теоретические предсказания сверхпроводимости были подтверждены Пабло Харилло-Эрреро и его учеником Юань Цао из Массачусетского технологического института и коллегами из Гарвардского университета и Национального института материаловедения в Цукубе , Япония. В 2018 году они подтвердили, что сверхпроводимость существует в двухслойном графене, где один слой был повернут на угол 1,1 ° относительно другого, образуя муаровый узор при температуре 1,7 К (-271,45 ° C; -456,61 ° F). [2] [12] [13]Они создали два двухслойных устройства, которые действовали как изолятор вместо проводника в магнитном поле. Повышение напряженности поля превратило второе устройство в сверхпроводник.

Еще одним достижением в твистронике является открытие метода включения и выключения сверхпроводящих путей с помощью небольшого перепада напряжения. [14]

Гетероструктуры [ править ]

Также были проведены эксперименты с использованием комбинаций слоев графена с другими материалами, которые образуют гетероструктуры в виде атомно тонких листов, которые удерживаются вместе слабой силой Ван-дер-Ваальса . [15] Например, исследование, опубликованное в журнале Science в июле 2019 года, показало, что с добавлением решетки нитрида бора между двумя листами графена были созданы уникальные орбитальные ферромагнитные эффекты под углом 1,17 °, которые можно было использовать для реализации памяти в квантовом режиме. компьютеры . [16]Дальнейшие спектроскопические исследования скрученного двухслойного графена выявили сильные электрон-электронные корреляции под магическим углом. [17]

Электронная лужа [ править ]

Между двумерными слоями селенида висмута и дихалькогенида исследователи из Северо-Восточного университета в Бостоне обнаружили, что при определенной степени скручивания новый слой решетки, состоящий только из чистых электронов, будет развиваться между двумя двумерными элементарными слоями. [18] Квантовые и физические эффекты выравнивания между двумя слоями, по-видимому, создают области «лужи», которые захватывают электроны в стабильную решетку. Поскольку эта стабильная решетка состоит только из электронов, это первая наблюдаемая неатомная решетка, которая предлагает новые возможности для ограничения, контроля, измерения и транспортировки электронов.

Ферромагнетизм [ править ]

Было показано, что трехслойная конструкция, состоящая из двух слоев графена с двумерным слоем нитрида бора, обладает сверхпроводимостью, изоляцией и ферромагнетизмом. [19]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Карр, Стивен; Массат, Даниэль; Фанг, Шианг; Казо, Поль; Лускин, Митчелл; Каксирас, Эфтимиос (17 февраля 2017 г.). «Твистроника: манипулирование электронными свойствами двумерных слоистых структур через их угол закручивания». Physical Review B . 95 (7): 075420. arXiv : 1611.00649 . DOI : 10.1103 / PhysRevB.95.075420 . ISSN  2469-9950 .
  2. ^ a b Харилло-Эрреро, Пабло; Каксирас, Эфтимиос; Танигучи, Такаши; Ватанабэ, Кендзи; Фанг, Шианг; Фатеми, Валла; Цао, Юань (2018-03-06). «Сверхрешетки графена с магическим углом: новая платформа для нетрадиционной сверхпроводимости». Природа . 556 (7699): 43–50. arXiv : 1803.02342 . DOI : 10.1038 / nature26160 . PMID 29512651 . 
  3. ^ a b Гибни, Элизабет (2019-01-02). «Как графен« магический угол »будоражит физику» . Природа . 565 (7737): 15–18. Bibcode : 2019Natur.565 ... 15G . DOI : 10.1038 / d41586-018-07848-2 . PMID 30602751 . 
  4. ^ a b c Фридман, Дэвид Х. (30 апреля 2019 г.). «Как искривленный графен стал большим предметом в физике» . Журнал Quanta . Проверено 5 мая 2019 .
  5. ^ Тритсарис, Георгиос А .; Карр, Стивен; Чжу, Зиянь; Се, Ици; Торриси, Стивен Б .; Тан, Цзин; Маттеакис, Мариос; Ларсон, Дэниел; Каксирас, Эфтимиос (30.01.2020). «Расчеты электронной структуры скрученных многослойных сверхрешеток графена». arXiv : 2001.11633 [ cond-mat.mes-hall ].DOI : 10,1088 / 2053-1583 / ab8f62
  6. ^ Суарес Морелл, E .; Correa, JD; Vargas, P .; Pacheco, M .; Бартичевич, З. (13 сентября 2010 г.). «Плоские полосы в слегка скрученном двухслойном графене: расчеты сильной связи» . Physical Review B . 82 (12): 121407. DOI : 10,1103 / PhysRevB.82.121407 . ЛВП : 10533/144840 . ISSN 1098-0121 . 
  7. ^ Бистрицер, Рафи; Макдональд, Аллан Х. (26 июля 2011 г.). «Муаровые полосы в скрученном двухслойном графене» . Труды Национальной академии наук . 108 (30): 12233–12237. DOI : 10.1073 / pnas.1108174108 .
  8. ^ Цао, юань; Фатеми, Валла; Фанг, Шианг; Ватанабэ, Кендзи; Танигучи, Такаши; Каксирас, Эфтимиос; Харилло-Эрреро, Пабло (5 марта 2018 г.). «Нетрадиционная сверхпроводимость в сверхрешетках графена с магическим углом». Природа . 556 : 43–50. arXiv : 1803.02342 . DOI : 10.1038 / nature26160 .
  9. ^ «Новый поворот в графене заставляет материаловедов горячиться под воротником» . Нью-Йорк Таймс . 30 октября 2019 . Проверено 29 сен 2020 .
  10. ^ Фридман, Дэвид Х. (28 мая 2019 г.). «В чем магия« магического »угла графена?» . Журнал Quanta . Проверено 28 мая 2019 .
  11. ^ «Эксперименты исследуют тайны сверхпроводников с« магическим »углом» . Phys.org . 2019-07-31 . Проверено 31 июля 2019 .
  12. ^ Цао, юань ; Фатеми, Валла; Демир, Ахмет; Фанг, Шианг; Tomarken, Spencer L .; Луо, Джейсон Й .; Санчес-Ямагиши, Хавьер Д .; Ватанабэ, Кендзи; Танигучи, Такаши (01.04.2018). «Коррелированное поведение изолятора при половинном заполнении в сверхрешетках графена под магическим углом». Природа . 556 (7699): 80–84. arXiv : 1802.00553 . Bibcode : 2018Natur.556 ... 80C . DOI : 10.1038 / nature26154 . ISSN 0028-0836 . PMID 29512654 .  
  13. ^ Ван, Брайан (2018-03-07). «Сверхрешетки графена могут быть использованы для сверхпроводящих транзисторов» . NextBigFuture.com . Проверено 3 мая 2019 .
  14. ^ «Искаженная физика: графен с магическим углом создает переключаемые модели сверхпроводимости» . Phys.org . 30 октября 2019 . Проверено 6 февраля 2020 .
  15. ^ Университет Шеффилда (6 марта 2019 г.). «1 + 1 не равно 2 для графеноподобных 2D материалов» . Phys.org . Проверено 1 августа 2019 .
  16. ^ Тан, Кер (2019-07-26). «Физики открывают новый квантовый трюк для графена: магнетизм» . Phys.org . Проверено 27 июля 2019 .
  17. ^ Scheurer, Mathias S. (2019-07-31). «Спектроскопия графена с волшебной изюминкой» . Природа . 572 (7767): 40–41. Bibcode : 2019Natur.572 ... 40С . DOI : 10.1038 / d41586-019-02285-1 .
  18. ^ «Физики могли случайно открыть новое состояние материи» . Phys.org . Проверено 27 февраля 2020 .
  19. ^ "Талантливый 2-D материал получает новый концерт" . Phys.org . Проверено 4 марта 2020 .